第二章 数字图像处理基础

间：CIE 1976L*u*v*色空间和CIE 1976L*a*b*色空间 CIE LUV均匀色空间及色差公式主要应用于照明、 CRT和电视工业以及那些采用加色法混合产生色彩的 行业；CIE LAB主要应用于颜料和图像艺术工业，近 代的颜色数码成像标准和实际应用也是用CIE LAB，

⎧ ⎛Y ⎞ ⎪ L* = 116 f ⎜ ⎜Y ⎟ ⎟ − 16 ⎪ ⎝ n⎠ ⎪ ⎡ ⎛ X ⎞ ⎛ Y ⎞⎤ ⎪ ⎨a* = 500 ⎢ f ⎜ ⎜X ⎟ ⎟− f⎜ ⎜Y ⎟ ⎟⎥ ⎢ ⎝ n ⎠⎥ ⎪ ⎣ ⎝ n⎠ ⎦ ⎪ ⎛ Z ⎞⎤ Y ⎞ ⎪b* = 200 ⎡ f ⎛ ⎜ ⎟ ⎟ − f⎜ ⎢ ⎥ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎪ ⎢ ⎝ Z n ⎠⎥ ⎣ ⎝ Yn ⎠ ⎦ ⎩
暗视觉条件下只有杆体细胞起作用，仅由视紫红色素吸收
光子，所以暗视觉时不能分辨颜色，只有明亮感觉。 杆体细胞中视紫红色素的合成需要维生素A的参与，所以 缺乏维生素A的人常有夜盲症。
颜色恒常性（Color
constancy）
指当外界条件发生变化后，人们对该物体表面颜色的知
觉仍然保持不变。
色适应
人眼对某一色光适应后，观察另一物体的颜色时，不
能立即获得客观的颜色印象，而是带有原适应色光的 补色成分，经过一段时间适应后才会获得客观的颜色 感觉，这就是色适应的过程。
（5）立体视觉
即是从二维视网膜像中获得3维视觉空间，即获得深
度距离信息 人类并没有直接或专门用来感知距离的器官，对空 间的感知不仅仅依靠视力，借助于一些外部客观条件 和自身机体内部条件来判断物体的空间位置
视觉 通道
（3）明暗视觉
人眼的亮度适应范围
人的视觉系统有很大的亮度适应范围，从暗视觉门限到
眩目极限之间的范围达1010量级，但并不能同时在这么大 范围内工作，是靠改变它的具体敏感度来实现亮度适应的。 一般的室内照明，只能同时分清约20级灰度。进入暗房， 最大能分辨的灰度级别为120级。
16级灰度 32级灰度 64级灰度
用符号r，g，b来表示。
⎧r = R ( R + G + B ) ⎪ ⎨ g = G (R + G + B ) ⎪b = B (R + G + B ) ⎩
色品图：以色品坐
1 （ G ）
g
0.5
标r，g表示的平面 图
⎛1 1⎞ W⎜ , ⎟ ⎝ 3 3⎠
（R） （B） 0.5 色品图 r 1
颜色匹配方程和计算任一颜色三刺激值必须测得人
象
（1）颜色匹配
颜色匹配：把两种颜色调节到视觉上相同或相等的
过程，将观察者的颜色感觉数字化。
红 绿 蓝 黑 挡 屏 眼睛
白 屏
待测色 光
背 景 屏 视场
三原色：在颜色匹配中，用于颜色混合以产生任意
颜色的三种颜色
三刺激值：颜色匹配实验中，当与待测色达到色匹配
时所需要的三原色的数量，记作R、G、B
（4）颜色视觉
光感受细胞与颜色
三种锥体细胞分别含有三种不同的视色素，光谱吸收峰值
分别在440~450nm、530~540nm、560~570nm处，称这 三种视色素为亲蓝、亲绿和亲红视色素。
外界光辐射进入人眼时被三种锥体细胞按它们各自的吸收
特性所吸收，引起光化学反应，触发生物能，引起视神经 活动。
第二章 数字图像处理基础
矿大信电学院 蔡利梅
第2章 数字图像处理基础
2.1 人眼视觉系统 2.2 色度学基础与颜色模型 2.3 数字图像的生成与表示 2.4 数字图像的数值描述
2.1 人眼视觉系统
（1）人眼基本构造
角膜 前房 瞳孔 后房 中央凹 视轴 光轴 虹膜 晶状体 睫状体 玻璃体 视网膜 视神经 巩膜 脉络膜
双目深度线索
人对空间场景的深度感知主要依靠双目视觉实现，每只眼
睛的视网膜上各自形成一个独立的视像，由于双眼相距约 65mm，两个视像相当于从不同角度观察，因而两眼视像不 同，即双眼视差 双眼视差是产生立体知觉和深度知觉的原因
单目深度线索
刺激物本身的一些物理条件，通过观察者的经验和学习，
在一定条件下也可以成为知觉深度和距离的线索 大小和距离：当物体实际大小已知，通过观察可推算物距 照明变化：明亮的物体显得近，灰暗或阴影中的物体显得 远，一般认为远方的物体呈蓝色，近的物体呈黄色或红色， 较远的物体轮廓不如较近的物体轮廓清晰 线性透视、物体的遮挡、运动视差等
人眼在观察景物时，从物体反射光到光信号传入大脑神经， 经过屈光、感光、传输、处理等一系列过程，从而产生物体 大小、形状、亮度、颜色、运动、立体等感觉。

角膜、房水、晶状体、玻璃体是折射率不同的光学 介质，属于屈光系统，作用是将不同远近的物体清 晰地成像在视网膜上。 视网膜是感光系统，将光能转换加工成神经冲动， 经视神经传入大脑中的视觉中枢，从而产生视觉。 由三层细胞组成，由外到内依此为： 感光细胞层 锥体细胞，感光灵敏度低，三种，对入射的辐 射有不同的频谱响应，是颜色视觉的基础。 杆体细胞，感光灵敏度高，分辨细节能力低， 不感受颜色，仅提供视野的整体视像。 双极细胞层 神经节细胞层
适用于2°视场的中央视觉观察条件
0
0.4
0.6
0.8 x
（4）CIE 1976 L*a*b*均匀颜色空间
标准色度系统解决了用数量来描述颜色的问题，但
不能解决色差判别的问题
均匀颜色空间，一个三维空间，每点代表一种颜
色，空间中两点之间的距离代表两种颜色的色差， 相等的距离代表相同的色差。
经过多年的研究和修改，1976年CIE推荐了两个色空
彩色的明度值： 在颜色立体中 以离开基底平 面的高度代 表，即同一水 平面上的所有 颜色的明度值 相等且等于该 水平面中央轴 上非彩色(灰色) 的明度值。
孟塞尔彩度(Chroma,记为C)
在孟塞尔色立体 中，颜色的饱和度以离 开中央轴的距离来表 示，称为孟塞尔彩度； 表示这一颜色与相同明 度值的非彩色之间的差 别程度，以符号C来表示。
眼的光谱三刺激值，将辐射光谱与人眼颜色特性相联。
实验证明不同观察者视觉特性有差异，但对正常颜
色视觉的人差异不大，故可根据一些观察者的颜色匹 配实验，确定一组匹配等能光谱色的三原色数据— “标准色度观察三刺激值”。
由于选用的三原色不同及确定三刺激值单位的方法
不一致，因而数据无法统一
CIE综合了莱特（W.D.Wright）和吉尔德（J.Guild）
颜色匹配方程： C (C ) ≡ R ( R ) + G (G ) + B ( B )
C代表被匹配色数量， （Ｃ）代表被匹配颜色单位，(Ｒ)， (G)，(B)代表产生混合色的红、绿、蓝三原色单位。
光谱三刺激值：匹配等能光谱色的三原色数量。用符
号 r , g , b 表示。
色品坐标：三原色各自在R+G+B总量中的相对比例，

（2）视觉过程
光学过程：由人眼实现光学成像过程，基本确定了
成像的尺寸 化学过程：与光接受细胞有关，基本确定了成像的 亮度或颜色 神经处理过程：在大脑神经系统里进行的转换过程
光 刺 激 视网膜 视网膜 接收 神经处理 右眼 视网膜 视网膜 接收 神经处理 左眼 大脑皮层处理 9存储参考图像 响应 9信息处理 9特征提取 9描述 9决策
颜色匹配实验结果，提出了CIE 1931—RGB色度系统
（2）CIE 1931-RGB系统
选择三原色
紫外光
400nm 435.8nm 546.1nm 可见光区 700nm 780nm
红外光
确定三原色单位
以相等数量的三原色刺激值（R=G=B=1)匹配出等 能白光（E光源），来确定三刺激值单位。
1931年，CIE定出匹配等能光谱色的RGB三刺激值，用 r , g , b 表示，称为“CIE 1931—RGB系统标准色度观察 者光谱三刺激值”，简称“CIE 1931—RGB系统标准色 度观察者”，代表人眼2°视场的平均颜色视觉特性， 这一系统称为“CIE 1931—RGB色度系统”，
照一定原则依次排列，给予每个颜色卡片以相应的字符 和数码，以此来传递颜色信息，这种表色系统称为颜色 次序系统（color-order system）。
孟塞尔表色系统
由美国美术家孟塞尔（A.H.Munsell）在20纪初 建立的一种表色系统，美国国家标准协会和美国材料 测试协会的颜色标准，目前得到世界公认的最重要表 色系统之一，中国颜色体系及日本颜色标准将其作为 参考。
色品坐标
y 0.8 520 540
⎧x = X (X + Y + Z ) ⎪ ⎨ y = Y (X + Y + Z ) ⎪z = Z (X + Y + Z ) ⎩
CIE
0.6 500
560 580 600 620 650 770
0.4 E C 0.2
1931 x-y色品图
480 470 380 450 0.2
1 ⎧ 3 ⎪ f (α ) = (α ) ⎨ 841 16 ( ) ( ห้องสมุดไป่ตู้ α + ⎪f α = 108 116 ⎩
⎛ 24 ⎞ α >⎜ ⎟ ⎝ 116 ⎠ ⎛ 24 ⎞ α ≤⎜ ⎟ ⎝ 116 ⎠
3
3
α=
X Y Z , , X n Yn Z n
XYZ为颜色的三刺激值； Xn，Yn，Zn：CIE标准照 明体照射到完全漫反射 体表面的三刺激值。
非视觉性深度线索
眼睛聚焦调节：通过眼肌调节水晶体以在视网膜上获得清
晰视像，这种调节活动传递给大脑的信号提供了有关物体 距离的信息 双眼视轴的辐合：观看远近不同的物体时，两眼视轴要完 成一定的辐合运动，将各自的中央凹对准物体，将物体映 射到视网膜感受性最高的区域，控制视轴辐合的眼肌运动 能给大脑提供关于物体距离的信息